专题丨SDN/NFV技术演进趋势分析

SDN/NFV技术演进趋势分析

穆琙博　柴瑶琳

（中国信息通信研究院技术与标准研究所，北京 100191）

摘要：作为未来网络领域的关键技术，SDN/NFV在工业互联网、5G切片、云化电信网络等应用场景先后成熟。2019年，SDN/NFV技术正式进入v2.0发展阶段。梳理了SDN/NFV技术的演进历程，归纳了其v2.0阶段的整体架构和关键技术，给出了我国产业界发展的建议。

关键词：SDN；NFV；ETSI；ONF

中图分类号：TN929.5；TP393　　　　文献标识码：A

引用格式：穆琙博, 柴瑶琳. SDN/NFV技术演进趋势分析[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(3):12-18.

doi：10.12267/j.issn.2096-5931.2021.03.003

0  引言

在以软件定义网络（SDN）/网络功能虚拟化（NFV）技术为核心的ICT融合技术的支撑下，工业互联网、5G切片、云化电信网络等面向业务创新的新型网络应用场景如雨后春笋般快速发展。通过构建服务于新业务需求的应用平台，SDN/NFV技术持续赋能网络业务创新，不断与落地场景的业务部署需求相融合，其行业应用和典型场景构成了产业发展的重要环节。

经过十几年的不断演进，一方面SDN/NFV技术在概念设计、方案落地、行业应用等诸多方面形成了实用化的技术特点，与学术界最初提出的原生架构和关键技术存在较为明显的差距；另一方面，随着以容器为特征的IT技术的逐步成熟，微服务、云原生等技术架构开始成为行业研究的新热点，新一代SDN/NFV技术进入快速发展阶段。

本文将围绕SDN/NFV的技术演进和典型场景，从行业应用的现状出发，分析现阶段（即SDN/NFVv1.0阶段）SDN/NFV的关键技术，从技术架构、标准体系、方案实现3个维度剖析产业发展面临的主要挑战；同时，以开放网络基金会（ONF）/欧洲电信标准协会（ETSI）在新一代SDN/NFV（即SDN/NFV v2.0阶段）技术与标准方面的研究进展为基础，构建总体性的参考架构和关键技术，形成技术演进发展趋势的研判。

1  “万物互联”时代SDN/NFV技术影响与主要挑战

1.1  SDN/NFV的行业应用：从网络人工智能到云化电信网络

根据IMT-2020（5G）推进组的行业应用预测，从2020年开始的10年内，5G方向的行业投资将接近6 万亿元，涉及制造业、能源等行业，间接经济贡献预计超过8 万亿元，到2030年，移动网络连接的设备总量将超过1000 亿台，人类真正进入到“万物互联”的新时代。在大连接的时代背景下，网络人工智能、工业互联网、5G切片、云化电信网络等新型网络应用场景将逐步成为产业发展的重要组成部分，通过以SDN/NFV为核心的ICT融合技术赋能业务创新，打造创新性应用的基础设施。

1.1.1  网络人工智能

ETSI ENI工作组给出了实现网络人工智能的三阶段（“虚拟化”“软件化”“智能化”）发展计划^[1] 。通过全局化、细颗粒度的端到端网络资源管理，一方面SDN/NFV技术能够为AI分析和决策平台提供完备的采集数据集合，实现更为精细化的智能化处理；另一方面，在网络可编程能力的支撑下，AI技术能对网络基础设施进行控制反馈，形成管控闭环。

1.1.2  工业互联网

从现场设备、边缘设备、边缘云到公有云平台，当前国内外主流的工业互联网解决方案均参考SDN/NFV技术架构进行设计和规划。在工业（以离散制造业为主）互联网网络平台方面，SDN/NFV技术有力地支撑了现场数据采集、生产过程控制、边缘平台管理等关键方面，赋能了工业级平台管理要求。

1.1.3  5G切片

作为5G切片技术的重要组成部分，第三代合作伙伴计划（3GPP）、国际电信联盟（ITU）等5G国际化标准组织纷纷提出以SDN/NFV技术来实现端到端5G切片的能力管控。从资源隔离到业务自动化开通，网络承载平面的控制面集中化管理与网元设备、网络管控平台的软件化能力实现将极大地提高网络资源利用率，赋能创新型网络业务，打造弹性化管理平台。

1.1.4  云化电信网络

网络重构是电信运营网络技术演进发展的重要共识。随着电信云试点部署（PoC）工作的不断迭代，自2016年开始，全球主流电信运营商纷纷加快了云化电信网络的发展速度，定制化打造了以SDN/NFV技术、云计算技术、分布式存储技术为核心的“电信云平台”，充分发挥设备能力解耦、网络资源弹性等技术性优势，改变运营商“管道化”的发展现状，全力构建服务型的电信运营网络。从技术角度看，尽管SDN/NFV已被公认为支撑下一代网络基础设施的关键性网络技术，然而聚焦概念设计、方案落地和技术演进等多个方面，SDN/NFV技术仍未完备，存在较大的演进空间。

1.2  SDN技术面临的挑战

尽管SDN技术已经得到了行业认可，其技术与标准落地也发展了十几年，然而从技术架构、设备实现到接口能力，仍然面临一些挑战。

1.2.1  技术架构：“控制与转发相分离”的难以实现

自2006年斯坦福大学提出“软件定义网络（SDN）”始，“控制与转发相分离”被行业视为SDN技术架构的起源设计，同时也成为推动技术向前发展的指导思想。随着OpenFlow影响力的淡化，当前SDN的技术解决方案与“控制与转发相分离”特点已经渐行渐远。

1.2.2  设备实现：OpenFlow-Enable设备并未普及

从狭义的视角来看，OpenFlow协议长久以来被视为SDN技术的代表性技术实现，从设计的角度出发，在OpenFlow-Enable设备当中，借助基于流表的网络可编程能力可以有效地实现网络集中管控。然而，受限于OpenFlow自身的结构性问题，全球主流的设备制造商并未规模化推广OpenFlow-Enable设备。

1.2.3  接口能力：南向接口标准化进展缓慢

南向接口标准化和北向接口模型化是SDN接口能力的典型要求，经过产业不懈的努力，SDN北向接口模型化已基本成为行业发展的标准共识。但是，SDN的南向接口标准化工作仍然进展缓慢。

1.3  NFV技术面临的挑战

与SDN技术类似，尽管经过了十几年发展，NFV技术在技术架构、设备实现、接口能力方面也面临一系列问题。

1.3.1  技术架构：NFV的三层能力解耦尚未实现

尽管ETSI NFV工作组很早就提出了NFV主要模块的能力解耦，但是主流厂商在设计解决方案时，并未实现“网元、虚拟化平台、通用硬件”的三层解耦，仅仅实现了“软件能力”和“通用硬件”的软硬解耦。

1.3.2  设备实现：网元、NFV-I两个层面的能力存在瓶颈

尽管网元设备软件化是NFV技术体系内对于VNF网元的基本能力要求，网元的“巨型化（Monolithic）”实现方式仍然对资源弹性利用造成了严重的挑战。这主要是由于厂商的解决方案主要停留在将原有物理化的“硬件能力”直接进行“软件化”。NFV-I通用硬件在网络能力方面存在缺陷，是另一个长久以来制约NFV产业发展的重要障碍。尽管在Intel等芯片厂商的不懈努力下，行业出现了网卡卸载等诸多替代性解决方案，要实现对硬件形态的网络设备进行完全的能力替换，仍然有很多需要攻克的难题。

1.3.3  接口能力：网元与NFV-I之间接口存在互操作性难题

经过3个阶段的迭代发展，ETSI NFV工作组顺利完成了NFV各主要模块的接口标准化工作。尽管如此，VNF网元与NFV-I接口之间的互操作性难题仍然制约了产业的健康发展。

2  SDN/NFV v1.0技术与产业发展

2.1  SDN关键技术分析

归纳、分析主流的SDN解决方案可见，当前SDN技术在技术架构、设备实现和接口能力3个方面具备以下关键特点。

2.1.1  开放互操作的体系架构

“开放”和“集中”是SDN技术实现的两大重要特征。

（1）受限于主流厂商的发展意愿，现阶段的控制层与转发层的能力解耦存在较大的阻力，在以电信运营商为代表的最终用户主导的编排器层与异构厂商的SDN控制层之间的互操作性成为SDN能力开放的重点。比对经典的三层（应用层、控制层、转发层）结构模型，现阶段SDN的能力开放重点体现在SDN编排器与SDN控制器之间的能力互操作性上。

（2）面向不同落地场景的业务部署需求，集中化的网络模型成为划分SDN技术实现的基本依据。由于不同的应用场景在网络设备选取、网络拓扑设计等方面存在较大的差异，SDN的技术架构需要以场景模型的最小颗粒度集中化管理异构网络环境。在网络资源管理方面，集中化的网络模型有助于提高管理效率。

2.1.2  业务模型化的设备实现

从模型化的设计要求出发，SDN编排器、SDN控制器和SDN转发设备形成了各自的技术发展特点。

（1）SDN编排器以业务模型为驱动设计系统架构，面向不同的网络业务需求，统一进行业务需求层面的能力抽象，通过异构厂商提供的控制器代理插件，映射形成对应的网络编程模型发送给SDN控制器。

（2）SDN控制器以网络模型为驱动设计系统架构，通过南向接口获取网络基本信息（网元状态、网络链路、网络配置等），形成全局化的网络视图，以网络模型为最小单位，实现网络编程，借助南北向接口，向SDN编排器反馈网络状态，向SDN转发设备下发网络编程指令。

（3）现阶段，SDN转发设备并未实现控制平面的完全剥离，多模式（Profile）共存的实现方式成为现网设备SDN化演进的过渡解决方案，同时Linux-Enable的内核支持模式为SDN转发设备提供了更多弹性扩展的编程空间。

2.1.3  “SDN+”为主导的南北向接口能力

在OpenFlow协议推进的同时，更为广泛使用的“SDN+”南向接口得到了行业的认可，如BGP-LS协议、PCEP协议、Netconf/YANG协议、OpenFlow协议、Segment Routing协议。其中，BGP-LS协议、PCEP协议、Segment Routing协议面向设备和拓扑状态进行设计，Netconf/YANG协议、OpenFlow协议面向设备配置/模型化定义。在北向接口方面，当前以RESTful为代表的北向接口负责网络模型与业务模型的信息交互，从实现风格上看，以OpenDaylight和ONOS为代表的两大开源社区分别从技术风格上实现了定义。

2.2  SDN产业发展瓶颈

从产业发展的角度出发，现阶段的SDN在原生架构、标准体系、厂商实现3个主要方面存在设计不合理、体系不完善和实现不一致等问题。

2.2.1  原生架构存在设计问题

SDN原生的三层架构模型重点放在了推动网络设备实现“控制与转发相分离”，其架构和接口定义缺少与OpenFlow协议相一致的管理平面技术和运维平面技术，因此厂商在设计网络可编程能力时，缺少统一的配置/管理模型，这使得SDN-Enable设备的设备管理和运维成为SDN实现各层交互操作的痛点问题。另外，OpenFlow协议未能明确定义网络设备数据平面的业务流水线（Pipeline）处理规范，这造成SDNEnable设备在数据平面设计时，严重依赖于特定的硬件能力支持，其产业生态的发展受到了芯片能力的制约。

2.2.2  技术标准体系不完善

十几年来，ITU、IETF、ETSI等国际标准化组织在SDN领域持续开展应用性技术研究工作，通过不断的标准化技术探讨，推动了SDN技术发展成为基础性的下一代网络技术。然而，作为技术架构与设计理念的发起方，自2015年4月开始，ONF将工作重心转向了以CORD项目为代表的典型场景应用，业界缺少了体系性的标准工作支撑，SDN原生架构缺陷难以得到实时的修正。

2.2.3  企业级解决方案差异化明显

SDN技术的发展，给全球主流设备提供商带来新的发展机遇，也造就了一系列初创企业，然而机遇与挑战并存，不同厂商的解决方案也面临各自的“难题”。一方面，从SDN“分层解耦”的技术视角出发，在以电信运营商为代表的最终用户的要求之下，通常初创企业提供的解决方案能够从各方面技术指标上满足其需求^[3]；而主流厂商需要从成熟产品生产线开始重新设计，在标准不完善、需求不明确的行业背景下，推动方案的积极性受影响。另一方面，从高可靠性、高性能等维度出发，初创企业的解决方案受限于试点应用时间和实践部署经验，无法与主流厂商的解决方案保持能力同步。

2.3  NFV关键技术分析

归纳、分析当前主流的NFV解决方案可见，当前NFV技术在技术架构、设备实现和接口能力3个方面具备以下关键特点。

2.3.1  软硬件解耦的NFV技术体系

以“软件能力”和“通用硬件”为主体的软硬件解耦是当前NFV技术实现的主要特点，具体来说，就是将以x86为主流的硬件服务器、存储设备（文件存储/对象存储/块存储）以及Spine/Leaf交换机与Hypervisor平台及以上的网元功能进行解耦。

2.3.2  功能集成化的设备实现

尽管ETSI NFV工作组已经在NFV主要模块能力解耦方面开展了一系列的标准化工作，然而主流厂商在设计NFV编排、NFV网元和NFV-I模块实现时，仍然采用模块能力集合的方法进行。

（1）NFV编排：在处理能力方面，NFV编排的设计实现基于传统的运营支撑系统（OSS）/业务支撑系统（BSS）能力，叠加了虚拟化资源管理的NFV-O能力要求。

（2）NFV网元：国内外主流解决方案在NFV网元的设计方面存在一定的差异，其中国内解决方案大都采用VNF+VNF-M的方式进行能力集成，而国外解决方案则采用NFV-O+VNF-M的方式进行能力集成。

（3）NFV-I：当前，国内外主流的解决方案均对标OpenStack基础架构，采用“KVM+VM”的基础架构模式设计“NFV-I+VIM”的电信云IaaS平台。

2.3.3  开源项目牵引的接口能力

一方面，尽管IETF、ETSI、CCSA等国内外标准化组织已经在一系列的接口规范和标准定义方面做了大量的工作，总体上看，当前主流的电信云（NFV-I）平台接口能力设计，仍然是对标OpenStack社区自定义的RefStack标准体系。这一“事实标准”已经成功牵引了电信云的成熟落地。2019年，由OPNFV、GSMA等国际化开源/标准化组织立项了CNTT项目，为电信云的参数一致性能力要求做了新的设定。另一方面，在NFV网元与NFV编排方面，参考ONAP、OSM等开源平台项目，TOSCA、YANG等信息模型逐步成为主要的接口描述语言，并在开源项目的带动下，发展成为新的“事实标准”。

2.4  NFV产业发展痛点

从产业发展的角度出发，现阶段的NFV在原生架构、标准体系、厂商实现3个层面面临技术能力缺陷、标准体系不完善、厂商实现不一致等问题。

2.4.1  从接口到架构：技术能力缺陷

当前，原生架构复杂化、模块化的能力存在瓶颈、接口体系不完善等是NFV v1.0技术层面面临的主要问题。

（1）原生架构复杂化

原生的NFV技术架构立足于网络功能、网络业务的模块化解耦，ETSI NFV工作组定义的NFV体系架构涵盖了NFV-I、VNF、OSS/BSS、VIM、VNF-M、NFV-O六大基本组件，这给系统集成带来了极大的挑战。

（2）模块能力存在瓶颈

• NFV网元层面：当前，基于虚拟机形态（VM）的NFV网元仅仅实现了物理网元功能的软件化封装，未能摆脱网络功能“有状态”的掣肘，资源占用过大，无法进行按需部署，难以有效地支撑解耦的架构型设计要求。

• NFV-I设备层面：通用服务器的网卡转发能力一直是制约NFV规模化部署最重要的能力瓶颈，这主要是因为以CPU的方式响应网络数据包的转发处理是造成低效率的重要原因。

（3）接口体系不完善

• NFV-I/NFV网元接口：在OpenStack社区的支持下，当前这个接口的标准定义重点参考了RefStack项目的接口体系。然而，区别于传统电信级接口标准体系的定义和范围，这种原生的IT化接口能力无法完全覆盖电信级业务的部署要求。

• NFV网元/NFV编排接口：由ONAP、OSM等开源编排项目依托典型的应用部署场景定义标准化的接口标准体系，功能描述简单而抽象，并未涉及业务处理逻辑，有待进一步完善。

2.4.2  标准体系不完善

一方面，虽然早从2013年起，ETSI就组织行业开展了R1阶段的NFV标准研究，然而强调技术架构和部署应用的R3直到2019年上半年才完成定稿，产业应用需求与标准化工作出现脱节；另一方面，面对云原生、容器化和5G-SBA架构的倒逼，2019年5月，ETSI NFV工作组开启了R4的标准化工作，其工作进展又一次落后于Kubernetes等开源组织的工作。

2.4.3  厂商实现不一致

虽然NFV技术吸引了传统设备提供商、云服务提供商、芯片厂商等上下游企业的极大关注，然而传统通信设备厂商对于“功能解耦”和“能力开放”的抵触、云服务提供商在技术架构方面的封闭、通用设备在网络性能等方面的能力瓶颈等诸多问题，需要综合产学研用诸多力量，开展有针对性的产业生态建设工作，从业务驱动入手，结合ICT技术的前沿动态，不断推动NFV技术进一步发展。

3  SDN/NFV v2.0技术展望

3.1  新一代SDN的参考架构和关键技术

面对SDN原生结构上的设计缺陷，2019年4月，ONF在Linux基金会举行的ONS NA峰会上正式发布了NG-SDN发展计划^[2]，宣告SDN技术进入到v2.0时代。SDN v2.0的技术架构如图1所示，在原有的网络分层模型基础上，新一代的SDN技术强调了管理平面、运维平面的技术能力要求。从模块设计上来看，工具箱（Tool Kit）模块的引入，为网络可验证和网络系统集成提供了重要支撑。在技术架构之外，SDN v2.0细化了SDN-Enable设备和SDN接口能力的技术要求。

3.1.1  协议无关的设备实现

一方面，新一代的SDN-Enable设备不局限于对网元设备的控制平面进行集中管理，更多强调了需要定义统一的管控平面；另一方面，考虑到OpenFlow-Enable设备不具备普适性，当前协议无关成为新的技术要求，网元的数据平面要求Pipeline可定义即可。

本文刊于《信息通信技术与政策》2021年 第3期

主办：中国信息通信研究院